CN108519687A - 太赫兹磁光偏振转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太赫兹磁光偏振转换器。该器件由在YIG铁氧体两侧贴附矩形金属孔阵列和正交矩形金属孔阵列构成，实现在常温、弱偏置磁场下的太赫兹波磁光线偏振态转换和单向传输的功能。利用两矩形金属孔阵列之间形成的F‑P谐振和选模效应，增强了YIG铁氧体原本微弱的法拉第旋转效应，提高了该器件的线偏振态转换率。该器件工作频率在0.1‑1.5THz，最高透过率与偏振转换率＞70％、Q值＞200，偏振消光比＞60dB。该器件的高Q值和梳状频谱输出使得该器件在太赫兹宽带通信中的滤波、波分复用、信号处理等有着应用价值。同时，该器件实现高透过率、线偏振选择、高偏振度线偏振态转换和单向传输的功能，为提高检测信噪比、减小串扰提供保障。

Description

太赫兹磁光偏振转换器
技术领域
本发明属于太赫兹科学技术领域，具体涉及一种高透过率、线偏振态转换、线偏振选择和单向传输器件。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1-10THz(1THz＝1012THz，对应的波长为3mm～30μm)范围的电磁波，这一波段介于微波与光波之间，是电子学与光子学的交叉领域。由于其在电磁波谱中所处的特殊位置，太赫兹波具有透视性、安全性、高信噪比等许多优越特性，在光谱、成像和通信等领域具有非常重要的学术和应用价值。这些太赫兹应用系统离不开滤波、调制、相移、偏振转换等太赫兹功能元件的支撑。偏振转换器件在旋光光谱测试、偏振成像、偏振光通信等领域有着极为重要的应用。
其中，通过磁光材料的法拉第磁致旋光效应可以引起磁光材料中线性偏振光的非互易旋转，如果能够实现大的法拉第旋转角度，就可以广泛用作偏振旋转、单向隔离传输和磁光调制器件。近年来在一些高电子迁移率半导体和石榴石铁氧体中观察到了太赫兹波的法拉第旋转。如Shuvaev等首次在室温下观察到在太赫兹光谱范围内HgTe薄膜中的巨磁化法拉第效应[Phys.Rev.Lett.106(10)，107404(2011)]，当B＝1T时，法拉第旋转的最大值在0.35THz时达到0.25rad。A.Fallahi等提出了一个石墨烯超表面结构来操控在太赫兹波段的巨磁化法拉第旋转[Appl.Phys.Lett.101(23)，231605(2012)]，在7T外磁场下偏振旋转达到0.1rad，工作带宽超过1THz。然而这类电回旋媒质材料都需要很低的工作温度(＜200K)和较高的偏置磁场(＞1T)，对工作环境要求较为苛刻，很难实际应用。而采用石榴石铁氧体等磁回旋媒质材料可以在室温下工作，例如Shalaby等利用SrFe12O19永磁材料在实验上演示了太赫兹法拉第旋光隔离器的单向传输功能，插入损耗5dB[Nat.Commun.，4，1558(2013)]。但这类材料的磁共振一般位于微波波段，即使施加很大的外磁场其在太赫兹波段的法拉第旋光效应也非常微弱，不足以实现90°的正交线偏振波的偏振变换。这就需要特殊的微纳光子结构来增强磁光器件的法拉第旋转，才可能实现有效的太赫兹波磁光偏振变换和单向传输的功能。
综上所述，一方面太赫兹应用系统的发展对高性能太赫兹磁光偏振转换器件的研制有着迫切的需求，另一方面国内外对太赫兹磁光偏振转换和单向传输器件的研究仍处于起步阶段，目前此类器件在工作温度、外加磁场、偏振转换率、消光比、插入损耗、工作带宽等方面都无法满足应用系统的实际需求，急需发展弱外加磁场、常温工作的高消光比、低损耗、高效太赫兹磁光偏振转换器件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太赫兹波磁光偏振转换器件，其具有在室温和弱磁场条件下实现太赫兹波正交偏振态转换及单向传输的功能，具有高Q值、高偏振转换率、高消光比的梳状频率输出谱，以解决背景技术中的该类器件偏置磁场大、低温工作、偏振转换率和消光比低、损耗大等关键技术问题。
本发明采取的技术方案是：该器件由YIG铁氧体、矩形金属孔阵列和正交矩形金属孔阵列共三层结构构成，其中矩形金属孔阵列贴附于YIG铁氧体的前表面，其矩形长边沿着Y轴方向；正交矩形孔阵列贴附于YIG铁氧体的后表面，结构与矩形金属孔阵列相同，但其矩形长边沿X轴方向、与矩形金属孔阵列呈正交状态；外加偏置磁场和入射太赫兹波方向均垂直于矩形金属孔阵列平面，即沿着Z轴方向。YIG铁氧体是亚铁磁性旋磁材料，在室温、饱和磁化和弱偏置磁场条件下，该材料具有微弱的法拉第旋光效应。由于前后矩形金属孔阵列间的法布里-珀罗谐振效应(F-P效应)，增强了YIG铁氧体的法拉第旋转效应，提高了该太赫兹磁光偏振转换器的偏振转换率，使其表现出高Q值、高透过率的梳状频率谱，并具有高消光比偏振旋转和单向传输功能。
该太赫兹磁光偏振转换器包括：厚度为250-350μm的YIG铁氧体(1)，铁磁谐振线宽＜200Oe，饱和磁化率＞3000Gs；YIG铁氧体(1)前表面的矩形金属孔阵列(2)和后表面的正交矩形孔阵列(3)，均是在厚度为500nm的金膜上刻蚀矩形孔所构成，其孔的宽度为0.5μm，长度为36-44μm；沿着短边方向的周期为1μm，沿着长边方向的周期为50μm。
该太赫兹磁光偏振转换器的工作方法是：将该器件放入太赫兹光路中，需施加沿Z轴方向的弱偏置磁场，磁感应强度＞1000Gs，器件对环境温度和湿度无特殊要求，常温下工作即可。0.1-1.5THz范围内的太赫兹波以正入射的角度入射该器件平面，器件具有明显的偏振依赖性。当偏振方向沿着X轴的TE偏振太赫兹波沿着Z轴方向正向入射矩形金属孔阵列(2)时，能透过该偏振转换器，出射光被转换为偏振方向沿着Y轴的TM偏振，可以实现线偏振态转换的功能；其输出的偏振转换谱线表现出高Q值、高透过率的梳状频率谱，透过率＞70％。当以TM偏振波正向入射时，太赫兹波不能透过该器件，可以实现线偏振选择的功能；当以TE偏振波反向入射正交矩形金属孔阵列(3)时，太赫兹波也不能透过该器件，可以实现对于TE偏振波的单向传输功能。
本发明的有益效果和优点是：
1.采用YIG铁氧体材料来提供磁光法拉第偏振旋转，相比于半导体和石墨烯等电回旋磁光材料，旋磁铁氧体的磁光效应对温度没有明显的依赖性，使得器件可以在常温下工作。同时，在磁材料矫顽力较强的情况下仅需在磁化后依靠剩磁工作，对偏置磁场依赖性较小，饱和磁化强度也在合理范围。
2.采用正交的矩形金属孔阵列的结构，一方面起到偏振选择的作用，仅有准TE偏振模可以入射金属孔阵列，又仅有准TM偏振模可以输出金属孔阵列，使得器件相比于其他光学薄膜和金属光栅具有了更强的偏振选择特性和模式选择特性。这样的设计使得器件的输出偏振态是完美的正交线偏振波，偏振消光比和转换率超过60dB。
3.两层矩形金属孔阵列之间形成法布里-珀罗(F-P)谐振腔。在F-P共振频率处的电磁波可以在两个矩形金属孔阵列之间不断地反射与透射，并且在经过多次往复后，增强了YIG铁氧体的法拉第旋转效应，从而提高了该太赫兹磁光偏振转换器的透过率和线偏振态转换率，并得到宽带、高Q的梳状频谱。
4.该器件除磁光偏振转换的功能外，还具有良好的偏振选择功能和单向传输功能，使得器件在太赫兹通信系统、安检成像系统、偏振光谱系统等众多应用系统中具有广泛的应用潜力。器件的材料和结构制备简单，工作环境要求低，相比于现有的太赫兹磁光偏振转换器件具有明显优势。
附图说明
图1是太赫兹磁光偏振转换器的三维结构示意图；
图2是金属光栅的部分正视图；
图3是该器件的工作原理示意图；
图4(a)是正向入射的TE偏振波和TM偏振波对该器件的透射谱线；
图4(b)是正向入射的TE偏振波对该器件的偏振转换度谱线；
图5是不同饱和磁化强度下的正向入射TE偏振波的透射谱线；
图6是饱和磁化强度为3000Gs时，不同矩形金属孔长度时正向入射TE偏振波的透射谱线；
图7(a)是在不同的YIG铁氧体厚度(50-200μm)下，正向入射的TE偏振波的透射谱线；
图7(b)是在不同的YIG铁氧体厚度(250-350μm)下，正向入射的TE偏振波的透射谱线；
其中，YIG铁氧体(1)、矩形金属孔阵列(2)、正交矩形金属孔阵列(3)、外加偏置磁场(4)、TE偏振波(5)、TM偏振波(6)。
具体实施方式
下面将本发明的工作原理和方法由下面实例说明：
器件的结构示意图如图1所示，图1中(1)为厚度为300μm的YIG铁氧体。图1中的(2)为矩形金属孔阵列，(3)为正交矩形金属孔阵列，其中矩形金属孔阵列(2)贴附于YIG铁氧体(1)的前表面，其矩形长边沿着Y轴方向；正交矩形金属孔阵列(3)贴附于YIG铁氧体(1)的后表面，结构与矩形金属孔阵列(2)相同，但其矩形长边沿X轴方向、与矩形金属孔阵列(2)呈正交状态。矩形金属孔阵列的结构如图2所示：矩形金属孔阵列(2)和正交矩形金属孔阵列(3)是在厚度为500nm的金膜上刻蚀矩形孔所构成。其中孔的宽度为0.5μm，长度为44μm；沿着短边方向的周期为1μm，沿着长边方向的周期为50μm。
该器件的基本工作原理如下：如图3所示：在沿着Z方向的偏置磁场(4)中，YIG铁氧体的磁导率函数变为二阶张量：
此时YIG铁氧体具有法拉第旋光效应，成为非互易媒质。在室温下，即使在偏振磁场较弱时(＜1500Gs)，当线偏振太赫兹波以沿着与磁场平行的方向入射YIG铁氧体时，太赫兹波的偏振方向将转过一个微小的角度，但这个角度并不足以实现偏振转换和单向传输的功能。
矩形金属孔阵列(2)的长边沿着Y轴方向，它仅允许偏振方向沿着X方向的偏振波以准TE模式透过，禁止沿着Y方向的偏振波透过。矩形金属孔阵列的准TE模式相比于普通金属线光栅支持的TEM模式具有截止频率，且对高阶模式选择特性更强。背面的正交矩形金属孔阵列(3)的长边沿着X轴方向，因此只允许沿着Y方向的偏振波透过。这样如果没有YIG铁氧体的存在于这两组正交的金属孔阵列之间，任何线偏振波总无法透过矩形金属孔阵列。当YIG铁氧体位于这两组正交的金属孔阵列之间后，偏振方向沿着X轴的太赫兹波入射矩形金属孔阵列(2)并经过YIG铁氧体后，偏振方向转过一个微小的角度，这时就产生了一定的Y偏振分量的波，它们以准TM波的形式从正交矩形金属孔阵列(3)输出。剩下的大部分分量反射回YIG铁氧体再次发生磁光旋转效应，一次往复后回到正交矩形金属孔阵列(3)时又有新的Y偏振分量产生而被输出。如此往复，发生多次反射与透射，法拉第旋转效应得到增强，在一些特定频率处大部分偏振态被转换为Y偏振波，以高透过率被输出。出现这种现象的原因是两组正交的矩形金属孔阵列形成了法布里-珀罗(F-P)谐振腔，在F-P共振频率处的太赫兹波可以在谐振腔内反复反射，并且在经过多次振荡后大大增强，从而增强了YIG铁氧体的法拉第旋转效应，提高了该器件的偏振转换率，并表现出明显的高Q、高透过率的梳状频率谱。
该器件的具体工作方法如下：如图3和图4所示，将该器件放入太赫兹光路中，需施加沿+Z轴方向的弱偏置磁场，磁感应强度1500Gs，YIG铁氧体的饱和磁化强度3000Gs，介电常数为12.9，铁磁谐振线宽为190Oe，常温下工作。当TE偏振太赫兹波沿着+Z轴方向正向入射矩形金属孔阵列(2)时，能透过该偏振转换器，出射光被转换为偏振方向沿着Y轴的TM偏振，可以实现线偏振态转换的功能，输出谱线如图4(a)中的虚线所示。在0.1-1.5THz。谱线由一系列频率间隔相等的透射峰组成，透射峰透过率先随频率增大而增大，在第4个透射峰(0.55THz)处达到70％的最大透过率(也就是最大偏振转换效率为70％)，随后的透射峰随频率增大而下降，每个峰的半高宽为30GHz，Q值＞200，频率间隔125GHz。如图4(a)中的实线所示，当以Y方向的TM偏振波正向入射时，太赫兹波不能透过该器件，透射谱线为一条几乎完全为0的直线，因此可以实现透射TE偏振、禁止TM偏振的线偏振选择的功能；当以TE偏振波反向入射正交矩形孔阵列(3)时，太赫兹波也不能透过该器件，可以实现对于TE偏振波的单向传输功能。由下式可以计算器件的偏振消光比或者单向传输隔离度：
Ext(f)＝20log[TTE(f)/TTM(f)] (2)
分别为入射为TE和TM波时的器件透过率。由此式可以计算得到如图4(b)的偏振消光比谱线，可见器件在透射峰位置得到超过60dB的偏振消光比和单向传输隔离度。
图5显示了当不改变其他参数时，YIG铁氧体在不同饱和磁化强度下器件的正向TE波输出谱线，结果显示饱和磁化强度越高，器件的最大透过率和偏振转换率就越高。1000Gs时，最大透过率不到60％，3000Gs时透过率达到70％，5000Gs时接近80％，因此要保证器件正常工作，YIG铁氧体的饱和磁化率应当＞3000Gs。此外，饱和磁化率的大小并不影响输出频谱的透射峰个数、位置和频率间隔，但影响透射峰高度的分布，最大透射峰的位置随着饱和磁化率的增大而向高频移动。
如图6所示，当不改变其他参数时，改变矩形金属孔阵列(2)和正交矩形孔阵列(3)的矩形金属孔长度时，基本不影响输出频谱的透射峰个数、位置和频率间隔，但影响透射峰高度的分布，从36μm到44μm，最高透过率频率点从1.12THz下降到0.74THz；当矩形金属孔长度等于50μm时，沿着X方向的金属线已经消失，整个结构实质上已经成为一个沿着Y方向的金属线光栅，如图6所示，此时的透过率明显地下降到仅20％。这一结果对比，显示了矩形金属孔阵列结构相比较于普通金属光栅结构对器件透过率和偏振转换率的显著的增强效果。
图7(a)和(b)还显示了当不改变其他参数时，YIG铁氧体厚度对器件输出谱线的影响。图7(a)表明当铁氧体的厚度低于200μm时，该器件的透过率显著下降；图7(b)表明当厚度大于等于250μm时，该器件最高透过率对应的频率趋于一致，为0.73THz。但随着厚度增加，透射峰个数增多，频率间隔减小。由此可知，该器件YIG铁氧体厚度选择在250-350μm时可以获得最佳性能。
综上所述，相比于以往的太赫兹磁光偏振转换器件，该器件的优点在于在YIG铁氧体的两侧贴附正交的矩形金属孔阵列，利用两矩形金属孔阵列之间形成的F-P谐振和选模效应，增强了YIG铁氧体原本微弱的法拉第旋转效应，提高了该器件的线偏振态转换率，并表现出明显的高Q、高透过率的宽带梳状频率谱，工作频率在0.1-1.5THz，最高透过率与偏振转换率＞70％、Q值＞200，偏振消光比＞60dB。同时用YIG铁氧体使器件对工作温度没有特殊要求，可以在室温条件和弱偏置磁场下工作。器件幅面尺寸可灵活设计，既可以集成在小型太赫兹固态电子器件和系统中，又可以设计成毫米以上尺寸的大幅面器件放置在自由空间太赫兹通信和雷达等系统中广泛使用。该器件的高Q值和梳状频谱输出使得该器件在太赫兹宽带通信中的滤波、波分复用、信号处理等有着应用价值。同时，该器件实现高透过率、线偏振选择、高偏振度线偏振态转换和单向传输的功能，为提高检测信噪比、减小串扰提供保障。

Claims (6)

1.一种太赫兹磁光偏振转换器，其特征在于包括YIG铁氧体(1)、矩形金属孔阵列(2)、正交矩形孔阵列(3)和外加偏置磁场(4)，其中矩形金属孔阵列(2)贴附于YIG铁氧体(1)的前表面，其矩形长边沿着Y轴方向；正交矩形孔阵列(3)贴附于YIG铁氧体(1)的后表面，结构与矩形金属孔阵列(2)相同，但其矩形长边沿X轴方向、与矩形金属孔阵列(2)呈正交状态；偏置磁场方向垂直于矩形金属孔阵列平面，沿着Z轴方向。
2.根据权利要求1所述的太赫兹磁光偏振转换器，其特征是：YIG铁氧体(1)是亚铁磁性旋磁材料，铁磁谐振线宽＜200Oe，饱和磁化率＞3000Gs，其厚度为300μm。
3.根据权利要求1所述的太赫兹磁光偏振转换器，其特征是：矩形金属孔阵列(2)和正交矩形孔阵列(3)是在厚度为500nm的金膜上刻蚀矩形孔所构成；孔的宽度为0.5μm，长度为47μm；沿着短边方向的周期为1μm，沿着长边方向的周期为50μm。
4.根据权利要求1所述的太赫兹磁光偏振转换器，其特征是：偏置磁场(4)为外加永磁体或电磁线圈提供的弱稳恒磁场，其磁感应强度＞1000Gs。
5.根据权利要求1所述的太赫兹磁光偏振转换器，其特征是：入射太赫兹波需沿着Z轴正入射于太赫兹磁光偏振转换器所在平面；当太赫兹波以沿着X轴方向的TE偏振正向入射矩形金属孔阵列(2)时，能透过该偏振转换器，出射光被转换为偏振方向沿着Y轴的TM偏振，可以实现线偏振态转换的功能；当以TM偏振波正向入射时，太赫兹波不能透过该器件，可以实现线偏振选择的功能；当以TE偏振波反向入射正交矩形金属孔阵列(3)时，太赫兹波也不能透过该器件，可以实现对于TE偏振波的单向传输功能。
6.根据权利要求1所述的太赫兹磁光偏振转换器，其特征还在于能够在室温条件下工作，工作频段为0.1-1.5THz，且由于前后矩形金属孔阵列间的F-P效应，增强了YIG铁氧体(1)的法拉第旋转效应，提高了该太赫兹磁光偏振转换器的偏振转换率和透过率，可以得到高Q、高透过率的梳状频率输出谱，最高透过率与偏振转换率＞70％、Q值＞200、偏振消光比＞60dB。
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